饲料油菜薹期收获茎秆破碎离散元仿真参数标定

针对饲料油菜机械化收获中的切碎、抛送等关键环节离散元仿真缺乏准确模型的问题,以抽薹期饲料油菜茎秆为研究对象,利用EDEM仿真软件开展饲料油菜茎秆破碎离散元仿真模型参数标定研究。试验测定了饲料油菜本征参数,应用Hertz-Mindlin基本模型进行饲料油菜茎秆颗粒堆积仿真试验,通过二水平因子试验、最陡爬坡试验和响应曲面试验,确定了饲料油菜茎秆颗粒碰撞恢复系数、静摩擦因数和滚动摩擦因数等基本接触参数。在此基础上,应用Hertz-Mindlin with bonding接触模型进行饲料油菜茎秆弯曲破坏仿真试验,通过响应面分析确定了饲料油菜茎秆颗粒法向接触刚度、切向接触刚度、临界法向应力与临界切向应力等饲料油菜茎秆破碎离散元仿真模型的主要参数。以确定的参数进行堆积角仿真试验,结果表明,仿真结果与实测值相对误差为2. 27%;不同直径油菜茎秆破碎仿真试验表明,仿真结果与实测值相对误差不大于4. 21%,说明标定方法正确可行,标定参数准确可靠。     

苜蓿现蕾期茎秆离散元模型建立与参数标定

针对目前牧草收获、粉碎加工设备输送和切割等机构研究过程中离散元仿真缺乏准确模型的问题,以含水率高、物理力学特性较为复杂的苜蓿现蕾期茎秆为研究对象,借助EDEM仿真软件,分别基于Hertz-Mindlin(no slip)和Hertz-Mindlin with bonding接触模型对物理参数和粘结参数进行标定。以休止角和剪切试验为基础,通过Plackett-Burman试验、Steepest ascent试验和Box-Behnken试验确定了苜蓿茎秆的泊松比、剪切模量、碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数等物理参数和法向接触刚度、切向接触刚度、临界法向应力、临界切向应力、粘结半径等粘结参数。以确定的物理参数进行休止角仿真试验,结果表明,仿真休止角与物理试验休止角相对误差为0.52%;以确定的粘结参数进行剪切仿真试验,结果表明,仿真剪切破坏力与物理试验仿真破坏力相对误差为0.86%,说明所标定的参数能够真实反映苜蓿现蕾期茎秆的物理和力学特性。     

收获期油菜薹茎秆双层粘结离散元模型建立与优化

针对与油菜薹机械化收获中的切割、夹持输送、打捆等关键环节密切相关的油菜薹茎秆离散元仿真模型缺乏准确粘结参数的问题,以“油蔬两用”双低型油菜收获期油菜薹机械化夹持段茎秆为研究对象,利用EDEM仿真软件提出三轴空间坐标法构建油菜薹夹持中段茎秆双层粘结离散元仿真模型。采用Design-Expert软件依次设计了Plackett-Burman试验、最陡爬坡试验和Box-Behnken试验,完成油菜薹夹持中段茎秆仿真粘结参数标定。利用标定的参数优化解构建剪切和径向压缩模型进行相应仿真试验,通过与物理试验对比分析,对模型参数进一步优化。结果表明,内芯-内芯的法向/切向接触刚度、表皮-内芯法向/切向接触刚度,以及表皮-表皮法向接触刚度对茎秆力学性能影响显著,分别为1.94×10⁷、9.56×10⁸、6.28×10⁹ N/m;所有力学模型的仿真值与实测值相对误差不大于3%,且茎秆受力变化趋势基本一致,表明标定优化后的参数具有可行性和准确性。所构建的油菜薹茎秆双层粘结离散元模型能表征其内部结构的力学特性差异,可为油菜薹茎秆相关系统的数值模...     

玉米根系离散元模型建立及仿真参数标定研究

为研究秸秆饲料收获机工作时玉米根土复合体受力变化情况,利用离散元法建立了整根玉米根系颗粒粘结模型。根据玉米根系物理特性,选取Hertz-Mindlin with Bonding颗粒接触模型;为准确获取离散元仿真参数,采用根系剪切试验与离散元仿真相结合的方法,对离散元参数进行标定。以根系峰值剪切力为响应值,采用Design Expert软件依次设计Plackett-Burman试验、最陡爬坡试验与Box-Behnken试验,得到最优仿真参数,即颗粒间剪切模量为6.6MPa、粘结刚度为1.139×10⁶N/m³、极限应力为1.1885MPa。结果表明：仿真值与实际值相对误差为2.12%,仿真标定结果真实可信。最终,根据根系实际尺寸,采用颗粒快速填充方法建立整根玉米根系模型,旨在为后续秸秆饲料收获机械离散元仿真提供参考依据。     

桑园土壤非等径颗粒离散元仿真模型参数标定与试验

为获取土壤离散元仿真模型的土壤颗粒物理参数和接触参数,本文采用试验与仿真相结合的方法,以桑园土壤为例,对土壤颗粒的接触参数进行了仿真标定。首先利用粉体仪、斜面仪、等应变直剪仪等,分析了试验地不同深度土壤的粒径分布,测量了试验地不同深度土壤休止角、滑动摩擦角、剪应力、内聚力、内摩擦角;然后,根据实测土壤粒径分布,利用EDEM软件建立了非等直径土壤球形颗粒模型。在此基础上,以土壤颗粒间及土壤与65Mn钢间的静摩擦因数、滚动摩擦因数、恢复系数为试验因素,土壤休止角、土壤-65Mn钢滑动摩擦角为目标值,建立了基于中心组合试验设计（CCD）方案,并利用Design-Expert软件对仿真试验结果进行了分析,得到了仿真标定的土壤-土壤间静摩擦因数、滚动摩擦因数和恢复系数的最优值分别为0.89、0.45和0.43;标定的土壤-65Mn钢间静摩擦因数、滚动摩擦因数和恢复系数的最优值分别为1.15、0.05和0.4。利用以上标定的最优参数对桑园土壤进行了休止角与滑动摩擦角仿真试验,试验结果表明,休止角仿真值与试验值相对误差为1.69%,土壤-65Mn钢的滑动摩擦角仿真值与试验值相对误差为2.88%。在此基础上,依据实测的土壤剪应力,采用试错法,以实测土壤内摩擦角为目标值,优化标定了土壤-土壤颗粒Hertz-Mindlin with Bonding接触模型中的粘结参数,标定法向粘结刚度、切向粘结刚度分别为1×108、5×107N/m3,临界法向应力和临界切向应力均为10kPa,接触半径为1.1倍颗粒半径,直剪仿真得到内摩擦角为30.24°,仿真值与直剪试验内摩擦角平均值相对误差为5.53%。本文提出的土壤颗粒建模方法、标定方法及其所标定的参数值,可用于砂质壤土桑园耕作机械触土部件与土壤相互作用的离散元仿真分析及其结构优化。     

香蕉秸秆离散元仿真粘结模型参数标定与试验

为提高离散元法对指导香蕉秸秆粉碎还田装备设计与优化的准确性与可靠性,本文利用Hertz-Mindlin with bonding接触模型建立香蕉秸秆离散元粘结模型并进行参数标定。运用高速摄影技术开展碰撞恢复试验、静摩擦及滚动摩擦台架试验,确定了香蕉秸秆碰撞恢复系数、静摩擦因数和滚动摩擦因数等基本离散元模型接触参数。开展香蕉秸秆物理与仿真剪切试验,获得破坏香蕉秸秆外皮的力学特征曲线,确定物理最大剪切力为122.41N;通过中心组合设计（Central composite design, CCD）响应面法确定香蕉秸秆粘结模型的法向接触刚度、切向接触刚度、临界法向应力与临界切向应力的最佳参数组合为5.89×107N/m、2.49×106N/m、1.39×105Pa、1.34×105Pa。以参数标定结果进行仿真验证,结果表明,仿真剪切力结果与物理剪切力相对误差仅为2.34%,验证了该粘结参数标定方法的可行性,可为香蕉秸秆粉碎还田机设计与研究提供理论参考。     

新疆棉花秸秆离散元仿真参数标定研究

由于棉花秸秆在机械化收获和粉碎加工过程中缺乏准确的仿真模型参数,从而造成在机具设计中仿真效果和实际作业存在较大的差异,在一定程度上限制了棉花秸秆收获以及粉碎装置的设计研究。本文以新疆棉花秸秆作为试验材料,开展仿真分析研究,通过物理试验测定棉花秸秆的本征参数后,利用EDEM软件进行试验仿真,对棉花秸秆进行参数标定。采用堆积角试验和弯曲试验方法,测量出棉花秸秆堆积角和最大破坏载荷分别为28.62°和143.21N。应用Hertz-Mindlin no slip模型和Hertz-Mindlin with bonding模型进行棉花秸秆的堆积角仿真试验和弯曲仿真试验,得到棉花秸秆之间碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数和棉花秸秆-钢之间碰撞恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数分别为0.5、0.41、0.06、0.5、0.37、0.08,以及棉花秸秆法向接触刚度、切向接触刚度、临界法向应力与临界切向应力分别为4.15×1010N/m、5.60×1010N/m、40MPa、50MPa。将以上结果进行粉碎试验验证,棉花秸秆粉碎后依据长度和宽度不同,分为粉末型物料、破碎型物料、未破碎型物料,仿真试验质量和实际试验质量之间偏差为6.84%、8.29%、7.37%,证明了参数的可行性,可用于棉花秸秆参数标定。     

胡麻茎秆离散元柔性模型建立与接触参数试验验证

针对胡麻联合收获过程中茎秆位姿变化与运动特性等关键环节离散元研究缺乏柔性模型和接触参数的问题,本文以胡麻根部茎秆、中部茎秆、颈部茎秆为研究对象,以其本征参数为研究基础,计算得胡麻茎秆各部建模参数,采用离散元法bonding模型构建胡麻茎秆柔性模型,并以胡麻茎秆各部本征参数、接触参数试验值为水平值,通过Plackett-Burman试验和Central-Composite试验确定胡麻茎秆之间、茎秆与收获装备之间的接触参数,通过胡麻茎秆剪切试验与堆积角试验验证模型可靠性。结果表明：胡麻植株离散元柔性模型参数中法向刚度Kn为1.13×109N/m3,切向刚度Ks为5.6×108N/m3,法向临界应力σ为6.67MPa,切向临界应力γ为8.5MPa,粘结半径Rj为0.25mm;胡麻茎秆-收获装备间恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数最优值分别为0.33、0.28、0.14,胡麻茎秆-胡麻茎秆间恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数最优值分别为0.3、0.508、0.033;剪切试验中胡麻茎秆根部、中部、颈部剪切最大载荷与仿真结果相对误差分别为1.67%、3.09%、5.44%,堆积角试验中胡麻茎秆平均堆积角与仿真结果相对误差为0.31%,误差较小。胡麻茎秆柔性模型与接触参数和实际情况较为相符,可表征胡麻茎秆物理特性,为胡麻茎秆离散元仿真提供参考。     

控释肥颗粒群仿真接触参数标定与试验

接触参数影响控释肥颗粒离散元仿真结果。为了精准模拟控释肥颗粒力学行为与运动规律,本文基于离散元法对控释肥颗粒的接触参数进行标定与试验。首先,建立控释肥离散元基础模型,并利用台架和仿真试验相结合的方法,在EDEM中对控释肥颗粒与PVC板之间接触参数进行标定。其次,通过碰撞弹跳试验、斜面滑移试验和斜面滚动试验测得控释肥颗粒与PVC板之间的碰撞恢复系数、静摩擦因数和滚动摩擦因数分别为0.539、0.507和0.105。最后,通过堆积试验、最陡爬坡试验和正交旋转组合试验,得到控释肥颗粒间的碰撞恢复系数、静摩擦因数和滚动摩擦因数分别为0.38、0.25和0.09,并通过无底圆筒提升试验和排肥台架试验进行验证。试验结果表明,堆积角实际值与仿真结果的相对误差为1.54%,排肥量实际值与仿真结果4种转速下的相对误差分别为4.38%、4.23%、4.41%、4.36%,所标定的控释肥接触参数精准有效,可为控释肥离散元仿真提供数据和模型支撑。     

菠菜主根离散元建模方法与试验验证

研究根土复合体铲切过程可以获得铲切力并优化铲切结构等参数。为准确仿真根系的切割过程,利用离散元法建立了颗粒粘结的蔬菜根简化模型。以成熟期的菠菜主根为试验材料,利用WDW-5E型微机控制电子式万能试验机进行菠菜主根的物理特性试验,得到菠菜主根的力学性能参数,即峰值剪切力为31.2N、轴向峰值压缩力为113.8N。结合离散元颗粒接触模型本构方程,得出相关粘结参数值,即法向刚度系数为5.7×10~6N/m、切向刚度系数为3.6×10~6N/m,临界法向应力为1.95 MPa,临界切向应力为4.2MPa,粘结半径为0.8mm。利用上述参数建立了根系离散元粘结模型,进行虚拟试验与实际物理试验对比分析,结果表明:两者在根系剪切力的变化趋势和压缩表观特征参数上具有一致性。因此,证明本文方法可以应用于菠菜根模型建立,对根土复合模型的建立及铲刀的优化设计等具有一定的参考意义。     

基于单轴密闭压缩试验的草炭离散元参数标定

为了提升穴盘播种过程中草炭装盘、压穴、覆料的仿真准确性,基于草炭的物料特性,选择Edinburgh Elasto-Plastic Adhesion（EEPA）模型在EDEM软件中建立草炭离散元仿真模型,通过单轴密闭压缩和虚拟仿真试验对草炭参数进行标定。通过物理试验测得草炭密度、粒径分布和接触参数,应用Plackett-Burman Design和最陡爬坡试验设计显著性分析试验,发现草炭间恢复系数、静摩擦因数、草炭切向刚度因子和剪切模量影响显著。应用Central Composite Design试验建立响应值与4个显著性参数的二次多项式回归模型,以单轴密闭压缩20%、50%轴向应变对应的轴向压力3.83、91.45N为目标值对显著性参数进行寻优,得到最优组合为：草炭间恢复系数0.202、草炭间静摩擦因数0.595、切向刚度因子0.667、草炭剪切模量0.613MPa。最后将该参数组合下的仿真值与实测值进行对比验证,在轴向应变范围20%~50%内实测值与仿真值的平均误差约为8.08%。相对误差在轴向应变40%左右达到最大值,为15.34%。结果表明基于响应面法标定的EEPA模型参数可用于离散元仿真研究。     

玉米田耕层典型土壤离散元模型建立与参数标定

为获取玉米田耕层不同土壤的各项参数,本文将玉米田耕层典型土壤分为未与玉米根茬接触的普通土壤(PT)和与玉米根茬结合形成根土复合体的土壤(GT),采用物理试验与离散元仿真相结合的方法,分别对离散元参数进行标定。基于Hertz-Mindlin(no slip)接触模型,采用中心组合试验设计方法,以土壤堆积角为目标值,进行了四因素五水平仿真试验。基于Hertz-Mindlin with bonding接触模型,采用Design-Expert软件,应用Plackett-Burman设计敏感性分析试验、最陡爬坡试验、Box-Behnken试验,以土壤硬度为目标值,对显著性参数进行寻优,得到PT最优解组合为：粘结键法向刚度4.37×10⁷ N/m³、粘结键切向刚度1.46×10⁷ N/m³、切向极限应力3.24×10⁵ Pa; GT最优解组合为：粘结键法向刚度5.19×10⁷ N/m³、粘结键切向刚度4.25×10⁷ N/m...     

桑园土壤非等径颗粒离散元仿真模型参数标定与试验

为获取土壤离散元仿真模型的土壤颗粒物理参数和接触参数,本文采用试验与仿真相结合的方法,以桑园土壤为例,对土壤颗粒的接触参数进行了仿真标定。首先利用粉体仪、斜面仪、等应变直剪仪等,分析了试验地不同深度土壤的粒径分布,测量了试验地不同深度土壤休止角、滑动摩擦角、剪应力、内聚力、内摩擦角;然后,根据实测土壤粒径分布,利用EDEM软件建立了非等直径土壤球形颗粒模型。在此基础上,以土壤颗粒间及土壤与65Mn钢间的静摩擦因数、滚动摩擦因数、恢复系数为试验因素,土壤休止角、土壤-65Mn钢滑动摩擦角为目标值,建立了基于中心组合试验设计（CCD）方案,并利用Design-Expert软件对仿真试验结果进行了分析,得到了仿真标定的土壤-土壤间静摩擦因数、滚动摩擦因数和恢复系数的最优值分别为0.89、0.45和0.43;标定的土壤-65Mn钢间静摩擦因数、滚动摩擦因数和恢复系数的最优值分别为1.15、0.05和0.4。利用以上标定的最优参数对桑园土壤进行了休止角与滑动摩擦角仿真试验,试验结果表明,休止角仿真值与试验值相对误差为1.69%,土壤-65Mn钢的滑动摩擦角仿真值与试验值相对误差为2.88%。在此...     

Use of saline aquaculture wastewater to irrigate salt-tolerant Jerusalem artichoke and sunflower in semiarid coastal zones of China

In 2004 and 2005, the feasibility of agricultural use of saline aquaculture wastewater for irrigation of Jerusalem artichoke and sunflower was conducted in the Laizhou region using saline aquaculture wastewater mixed with brackish groundwater at different ratios. Six treatments with different electrical conductivities (EC) were included in the experiment: CK1 (rainfed), CK2 (irrigation with freshwater, EC of 0.02 dS m⁻¹), and saline aquaculture wastewater (EC of 39.2 dS m⁻¹) mixed with brackish groundwater (EC of 4.4 dS m⁻¹) at volumetric ratios of 1:1, 1:2, 1:3, and 1:4 with corresponding EC of 22.0, 16.1, 13.2, and 11.4 dS m⁻¹. Soil electrical conductivity (ECe) in the saline aquaculture wastewater irrigation treatments was significantly higher (P ≤ 0.05) than that in the rainfed or freshwater irrigation treatments, and the maximum value occurred in the 22.0 dS m⁻¹ treatment. The sodium adsorption ratio (SAR) ranged from 4.1 to 11.7 mmol^1/2 L^−1/2 and increased with decreasing salinity of irrigation water. The biomass of Jerusalem artichoke significantly decreased (P ≤ 0.05) when irrigated with saline aquaculture wastewater compared to the rainfed or freshwater irrigation treatments; however, the effect of salinity on root biomass was much smaller than the aerial parts. Concomitantly, the highest tuber yield of Jerusalem artichoke occurred in the 11.4 dS m⁻¹ treatment, while the highest seed yield of sunflower occurred in the rainfed treatment. Additionally, nitrogen and phosphorus concentrations of Jerusalem artichoke were significantly higher in the 11.4 dS m⁻¹ treatment than the other treatments. This study demonstrated that properly diluted saline aquaculture wastewater can be used successfully to irrigate Jerusalem artichoke with higher economic yield and nutrient removal, but not sunflower due to the difference in salt tolerance.     

结合面切向接触刚度分形模型建立与仿真

基于接触分形理论和微接触面积分布函数,建立了计及微接触面积分布的域扩展因子影响的结合面切向接触刚度分形模型,并通过数字仿真直观揭示了结合面切向接触刚度与结合面诸参数之间的非线性关系以及这些相关参数对切向接触刚度的影响规律.仿真研究结果表明,结合面切向接触刚度随着结合面法向载荷的增大而增大,随结合面切向载荷的增大而减小,随结合面分形特征长度尺度参数的增大而减小,但随结合面分形维数的变化规律比较复杂.     

川麦冬往复切割式剪果装置设计与仿真试验

麦冬为我国大宗中药材品种,道地产区为四川和浙江,地下部分的块根为入药部位。本文针对麦冬块根采后人工脱果劳动强度大,缺乏成熟机械化脱果装置等问题,设计了一款川麦冬剪果装置。该装置采用两组阶梯式的往复切割器、输送夹持带、限果导须板和机架结构。结合麦冬剪果农艺要求和植株物理参数测量计算,确定了整体结构尺寸、限果导须板间隙、输送速度、切割间距、往复行程等参数。基于ADAMS软件对麦冬与脱果刀具之间进行了刚柔耦合仿真分析,以刀刃与麦冬植株接触力大于峰值切割力为条件,模拟切割效果;利用ADAMS/view中Flex模块对麦冬植株进行柔性化处理,分析在接触碰撞过程中两者接触力与麦冬植株形变的变化规律。选取切割速度、切割倾角、刀具构型三因素进行三水平正交试验,结果表明,影响切断的因素主次顺序为切割倾角、切割速度、刀具构型;切割速度与刀刃类型呈显著相关关系;当进行高速切割时,直齿型刀具所产生的峰值切割力大于其他两种刀具构型。综合考虑切割稳定可靠性、切割力和刀具构型最简化原则,得到优化工作参数为：切割速度0.41m/s、切割倾角0.3°、刀具构型为三角光刃型。经仿真验证,该装置结构参数合理,满足麦冬脱果技术要求,可为麦冬脱果机械装置的优化设计提供理论和试验依据。